Caenorhabiditis elegans est largement reconnu comme un modèle exceptionnel en neurosciences basé sur le fait qu’il a 302 neurones qui coordonnent tous les comportements des vers, y compris l’accouplement, l’alimentation, la ponte, la défécation, la natation et la locomotion sur des milieux solides1. Ces nématodes hermaphrodites sont également largement utilisés pour comprendre un large éventail de mécanismes de maladies humaines, rendus possibles par son génome bien caractérisé et son homologie élevée d’environ 80% de gènes entre C. elegans et les humains2,3,4. C. elegans a longtemps été utilisé pour interroger la maladie mitochondriale humaine5,6 ,7,8,9,10, qui est un groupe très génétiquement et phénotypiquement hétérogène de troubles métaboliques héréditaires qui partagent une capacité altérée à générer de l’énergie cellulaire et souvent cliniquement présents avec une fonction neuromusculaire considérablement altérée, une intolérance à l’exercice et une fatigue11 ,12,13,14. À cette fin, l’utilisation de modèles de C. elegans permet la modélisation préclinique des aspects quantitatifs de l’activité animale et de la fonction neuromusculaire dans différents sous-types génétiques de maladies mitochondriales, ainsi que leur réponse aux thérapies candidates qui peuvent améliorer leur fonction neuromusculaire et leur activité globale.
L’activité neuromusculaire chez C. elegans est objectivement mesurable par une gamme de méthodologies expérimentales, y compris des approches manuelles et semi-automatisées qui permettent des analyses fonctionnelles en milieu solide ou liquide (Tableau 1)1,15. Une quantification précise de l’activité de C. elegans s’est avérée importante pour permettre des découvertes liées à la fonction et au développement du système musculaire et nerveux16,17,18. Cette étude résume et compare les exigences expérimentales, les avantages et les limites de 17 tests différents qui peuvent être effectués dans des laboratoires de recherche pour évaluer la fonction et l’activité neuromusculaires sur quatre critères de jugement clés dans les modèles de maladies de C. elegans, à la fois au départ à divers stades de développement et âges ainsi qu’en réponse à des thérapies candidates (Tableau 1 ). En effet, l’étude fournit un aperçu détaillé de la gamme d’approches expérimentales disponibles pour caractériser les taux de battement de C. elegans (courbures du corps par minute), l’activité locomotrice, le pompage pharyngé et la chimiotaxie - dans chaque cas en spécifiant la méthodologie expérimentale et analytique utilisée, les avantages et les limites de chaque méthode, l’équipement et le logiciel nécessaires pour effectuer et analyser chaque essai, et la capacité de débit de chaque méthode pour soutenir son utilisation à des fins de dépistage génétique ou de dépistage de drogues à haut débit. La capacité de débit de chaque essai est décrite comme faible, moyenne ou élevée en fonction de la complexité du protocole expérimental, y compris la maintenance des vers, le temps de traitement, l’utilisation de plaques à un ou plusieurs puits et/ou le temps d’expérimentation nécessaire pour terminer le cadre expérimental et les analyses de données.
Les analyses manuelles du thrashing19,de l’activité locomotrice20,du pompage pharyngé17,21et de la chimiotaxie22,23 sont des méthodologies bien établies pour évaluer l’activité des vers qui nécessitent un stéréomicroscope24. Bien que la mesure de l’activité de battement des vers nécessite une analyse dans des milieux liquides pour déterminer la fréquence des courbures du corps par minute, l’activité locomotrice des vers peut être mesurée soit sur des milieux solides, soit dans des milieux liquides. Cependant, les analyses manuelles de l’activité individuelle des vers prennent intrinsèquement beaucoup de temps et impliquent un biais inévitable généré par l’utilisateur. L’automatisation des analyses d’activité des vers minimise les biais générés par l’utilisateur et peut augmenter considérablement le débit expérimental25. Les enregistrements vidéo de l’activité de thrashing des vers dans les milieux liquides peuvent être analysés à l’aide de wrMTrck, un plugin ImageJ26. Cependant, les paramètres expérimentaux originaux qui ont été développés pour wrMTrck ont limité son utilité, car trop de vers dans une seule goutte liquide entraînaient un chevauchement des vers qui rendait difficile le suivi précis. Bien que cette limitation expérimentale ait été résolue27, la méthode wrMTrck n’est pas en mesure de prendre en charge le criblage à haut débit.
Il existe une gamme de méthodes pour quantifier l’activité locomotrice des vers au départ et en réponse à des thérapies candidates dans des modèles de maladie mitochondriale à C. elegans. Il s’agit notamment de ZebraLab (ViewPoint Life Sciences), Tierpsy Tracker28,de la plate-forme de suivi des nématodes à large champ de vision (WF-NTP)29,de WormMotel, de WormWatcher30,de WormLab31,d’Infinity Chip32et de WMicrotracker One33 (Tableau 1). Ces méthodes permettent une analyse simultanée de la locomotion dans plusieurs souches ou conditions de vers, généralement sur des plaques multipères, prenant ainsi en charge les applications de dépistage de médicaments à haut débit. Certaines de ces méthodes ont des considérations uniques qui peuvent limiter ou améliorer leur utilité générale, telles que le besoin d’équipement coûteux par rapport aux logiciels en libre accès, et la facilité variable d’exécution des protocoles expérimentaux. Dans l’ensemble, aucun système ou protocole expérimental unique n’est parfaitement adapté à toutes les expériences d’activité locomotrice de C. elegans. Il est plutôt important de choisir avec soin la méthode la mieux adaptée aux objectifs et aux exigences expérimentales spécifiques de l’investigateur.
Le pompage pharyngé représente un autre résultat important pour évaluer l’activité neuromusculaire chez C. elegans. Le pharynx de C. elegans est composé de 20 cellules musculaires, de 20 neurones et de 20 autres cellules qui permettent l’ingestion d’Escherichia coli (E. coli)à l’extrémité antérieure du tractus alimentaire du ver34,35,36. Plusieurs méthodes manuelles ont été établies pour déterminer les taux de pompage pharyngé17,21,37,38. La plupart des méthodes sont basées sur l’utilisation d’un stéréomicroscope et d’une caméra pour visualiser et enregistrer la fréquence de pompage pharyngé avec comptage direct par l’observateur expérimental21. L’analyse automatisée du débit de pompage pharyngé est possible en effectuant un enregistrement extracellulaire appelé électropharyngéogramme (EPG), qui fournit des informations supplémentaires sur la durée de chaque pompe39. L’analyse de la vitesse de pompage pharyngé est également possible dans un système microfluidique, WormSpa, où les vers individuels sont confinés dans des chambres40,41. Une méthode commerciale disponible pour faciliter l’analyse du taux de pompe pharyngée est le système ScreenChip (InVivo Biosystems), qui mesure, visualise et analyse les aspects neuromusculaires du comportement alimentaire dans un seul ver immobilisé dans une puce personnalisée. Cette approche de quantification par pompage pharyngé peut être utilisée pour évaluer les réponses neuronales et physiologiques aux médicaments, au vieillissement et à d’autres facteurs42,43,44,45.
La chimiotaxie décrit le mouvement de C. elegans en réponse à un odorant placé loin des vers dans une zone définie de la plaque du milieu de croissance des nématodes (NGM). L’évaluation de la réponse de la chimiotaxie fournit une mesure intégrée de l’activité neuronale et neuromusculaire des vers qui est quantifiable en observant et en mesurant la distance physique parcourue par les vers vers vers l’odorant dans une période de temps définie46. Le Multi-Worm Tracker est une méthode automatique qui peut être utilisée pour améliorer l’efficacité expérimentale de la quantification de la distance parcourue par les vers vers un attractif ou à partir d’un répulsif47.
Ici, le protocole détaillé de deux nouvelles méthodes semi-automatisées établies pour quantifier l’activité des vers est décrit. La première approche utilise ZebraLab, un logiciel commercial qui a été développé à l’origine pour étudier l’activité de nage de Danio rerio (poisson-zèbre), pour une nouvelle application à débit moyen permettant de quantifier l’activité locomotrice globale dans les milieux liquides de C. elegans en fonction des changements de pixels pendant le mouvement (Tableau 1, Figure 1). La sortie de données est rapidement obtenue à partir d’un grand nombre de conditions simultanées et d’échantillons analysés sur une lame de verre, bien que cette méthode ne convienne pas à un format de plaque multi-puits. La deuxième approche est une nouvelle adaptation de la méthodologie WormScan48,49 ( Figure2), qui utilise un scanner à plat pour créer une image différentielle de deux scans séquentiels qui peuvent être utilisés de manière variable avec un logiciel open source pour permettre une analyse quantitative semi-automatisée des résultats physiologiques intégrés tels que la fécondité et la survie. Ici, une nouvelle adaptation à haut débit de la méthodologie WormScan pour quantifier l’activité locomotrice des vers dans les milieux liquides dans des populations de quinze vers larvaires de stade 4 (L4) par puits d’une plaque à fond plat de 96 puits a été développée. Cette méthodologie WormScan semi-automatisée et peu coûteuse peut être facilement adaptée aux écrans de médicaments à haut débit, ainsi qu’aux analyses de différents stades animaux et des âgesde 48à49 ans.
Ici, le protocole et l’efficacité de l’analyse de l’activité locomotrice de C. elegans à l’aide de méthodes semi-automatisées ZebraLab et WormScan sont démontrés dans un modèle bien établi de C. elegans pour la maladie du complexe mitochondrial I, gas-1(fc21). gas-1 (gène K09A9.5) est un orthologue du NDUFS2 humain (NADH : ubiquinone oxydoréductase core (iron-sulfur protein) subunit 2) (Figure 3). La souche mutante C. elegans gas-1(fc21) porte une mutation homozygote p.R290K dans l’orthologue humain de NDUFS250, entraînant une diminution significative de la fécondité et de la durée de vie, une altération de la capacité de phosphorylation oxydative de la chaîne respiratoire (OXPHOS)51, ainsi qu’une diminution de la masse mitochondriale et du potentiel membranaire avec une augmentation du stress oxydatif5,8 . Malgré son utilisation bien établie au cours des deux dernières décennies pour étudier les maladies mitochondriales, l’activité locomotrice des mutants gaz-1(fc21)n’a pas été rapportée auparavant. Ici, les méthodes ZebraLab et WormScan ont été appliquées pour quantifier indépendamment l’activité locomotrice du gaz-1(fc21)par rapport aux vers de type sauvage (WT, N2 Bristol), à la fois pour valider les méthodes et pour démontrer leur utilité comparative et l’efficacité des protocoles expérimentaux et des analyses informatiques. Le logiciel ZebraLab a permis une quantification rapide de plusieurs conditions simultanées d’activité locomotrice de vers dans des modèles de maladie mitochondriale de C. elegans, avec une application potentielle pour des études ciblées de dépistage ou de validation de médicaments. L’analyse WormScan, en particulier, est bien adaptée pour permettre facilement des éclicateurs de médicaments à haut débit des bibliothèques de composés et hiérarchiser les pistes qui améliorent la fonction neuromusculaire animale et l’activité locomotrice dans les modèles précliniques de C. elegans de la maladie mitochondriale primaire.